空間纜懸索橋縱向粘滯阻尼器減震研究

宋松科　李軍歌　熊倫　劉偉

【摘 要】越來越多的懸索橋采用粘滯阻尼器以降低縱向地震位移，為確保懸索橋地震安全性具有重要意義。文章分析了粘滯阻尼器參數對紫坪鋪特大橋關鍵部位的縱橋向地震響應的影響，對粘滯阻尼器進行了參數優化。結果表明：粘滯阻尼器可以有效減小主梁位移、支座位移，一定程度減小橋塔塔頂位移、塔底彎矩及塔底剪力，這有利于該橋梁的抗震體系;隨著阻尼系數C的不斷增加，橋梁各地震響應均出現了先減小后增大的趨勢，表明選取阻尼器型號時有必要進行計算分析以確保阻尼器參數處于合理范圍內;橋塔樁基礎所處的土層或場地特性會對懸索橋兩岸塔柱的內力和位移均產生一定影響;粘滯阻尼器的減震效果由阻尼系數C及速度指數α共同決定，綜合考慮減震效果及阻尼器自身特性，建議阻尼器參數C=2000 kN/（m/s）α，α=0.3。

【關鍵詞】懸索橋; 減震研究; 粘滯阻尼器; 阻尼器參數

【中圖分類號】U442.5+5【文獻標志碼】A

1 工程概況

紫坪鋪特大橋位于都江堰經映秀至汶川段公路上，為跨越紫坪鋪水庫而設。該工程區位于龍門山斷裂帶主中央斷裂（北川—映秀斷裂）與主山前斷裂（江油—灌縣斷裂）之間，地質構造比較復雜。紫坪鋪特大橋的抗震安全性成為其設計的關鍵問題之一。紫坪鋪特大橋主橋為485 m雙塔單跨鋼板組合梁懸索橋，主纜分跨為125 m+485 m+125 m，兩岸錨錠均為隧道錨。地震動峰值加速度0.2 g，抗震設防烈度八度，抗震設防類別為A類，抗震設防措施等級為9級。橋梁立面布置圖見圖1。

2 研究意義

懸索橋的主梁在縱向地震作用下并不會迫使主塔發生縱向彎曲，主塔的地震響應主要與其自身的剛度和質量分布相關，通常并不會控制結構設計。但懸索橋的主梁與主纜之間一般采用垂直吊索連接，為提高縱向約束剛度以滿足抗風等縱向荷載作用下的結構性能需要，大跨度懸索橋有時會設置中央扣。這種連接構造也導致主梁的縱向地震慣性力主要由中央扣傳遞至主纜，若主梁在地震作用下產生較大縱向位移，也會加劇橋塔的縱向地震響應。因此，越來越多的懸索橋采用粘滯阻尼器以降低縱向地震位移。

本文以紫坪鋪特大橋（空間纜大跨度懸索橋）為工程背景，分析橋梁結構特點及動力響應，在延性抗震設計的基礎上，研究設置液體粘滯阻尼器后橋梁結構的地震響應，對阻尼器力學參數進行優化設計，以期為同類型橋梁的抗震設計提供有力參考。

3 粘滯阻尼器減震原理

粘滯阻尼器是由活塞、油缸、黏性液體及節流孔等組成，節流孔是比油缸截面面積小的流通通路，如圖2所示。活塞具有小孔，油缸中的黏性液體一般為硅油，當活塞與油缸內往復運動時，液體從活塞一側通過活塞上的小孔流向活塞另外一側，從而產生阻尼力耗散結構能量。粘滯阻尼器在蠕變變形作用下，產生的阻尼力很小，接近于零;在地震作用下，活塞運動速度增大，粘滯阻尼器產生的阻尼力也會增大。粘滯阻尼器正常使用條件較嚴格，需要注意油壓調整、漏油、灰塵侵入等問題，一旦上述問題發生，其功效可能完全失效，甚至威脅結構安全。

橋梁安裝粘滯阻尼器后，粘滯阻尼器不會給結構提供剛度，因此不影響結構的基準周期，圖3為粘滯阻尼器的滯回曲線示意圖（速度指數為1），從中可以看到其滯回曲線非常飽滿，具有較強的耗能能力，同時阻尼器在最大位移狀態時阻尼力為零，在最大受力狀態時位移為零，這種性能有利于減小結構的受力響應。

液體粘滯阻尼器通常采用Maxwell模型（圖4）進行模擬，該模型包括阻尼特性和連接剛度兩個部分，彈簧與阻尼器相互串聯，與實際液體阻尼器特性相符。粘滯阻尼器是與速度相聯的阻尼器，其阻尼力與速度之間的理論關系可用下式表示：

F=Cv

式中：F為粘滯阻尼器的阻尼力kN;C為阻尼系數kN/（m/s）α;v為阻尼器活塞與缸體運動的相對運動速度m/s;α為阻尼器的速度指數，橋梁抗震領域中，常用值一般取0.3～1.0。

速度指數α體現粘滯阻尼器的非線性特性。當α=0時，阻尼器為純摩擦阻尼器，當α=1時，阻尼器為線性阻尼器。圖5顯示了阻尼力F、速度v、速度指數α之間的關系，其中C取3 000，α≤1.0。從圖中可以看出，當α<1.0時，阻尼力F隨速度v增大而增大，且增速隨速度增加而放緩;當速度v<1.0時，α越小，阻尼力越大;當速度v>1.0時，α越小，阻尼力越小。

粘滯阻尼器若要發揮耗能作用，需要一定的相對位移、相對速度。因此考慮將粘滯阻尼器布置在懸索橋主梁端部。當地震作用時，主梁與橋塔下橫梁發生相對運動，阻尼器開始進入耗能階段。在每個橋塔下橫梁均設置一對阻尼器。

4 阻尼器優化計算工況

粘滯阻尼器主要力學參數為阻尼系數C和速度指數α，阻尼系數主要影響阻尼器的阻尼力，而速度指數則影響阻尼器的滯回特性。在橋梁抗震領域中，阻尼系數范圍通常為500～8 000 kN/（m/s）α，α取值為0.2～1.0。因此，在對粘滯阻尼器進行參數分析時采用表1所示工況，共計22個工況。

5 地震響應規律及減震效果

5.1 位移響應比較

圖6為橋塔各塔柱順橋向位移響應規律，圖7為左、右側1號支座順橋向位移響應規律，圖8為左右側梁體順橋向梁端位移響應規律。

由上圖分析可知：

（1）液體粘滯阻尼器對橋梁的橋塔、支座和梁體位移的減震效果非常顯著。

（2）當阻尼器速度指數α一定時，橋塔各塔柱的塔頂縱向位移隨阻尼系數C的增大出現先減小后增大的規律，表明α不宜過小或過大。

（3）阻尼器速度指數α一定時，支座和主梁縱向位移隨阻尼系數C的增大而減小，當阻尼系數小于3 000時下降迅速，隨后趨于穩定。

（4）當阻尼系數C小于3 000時，T1和T2塔柱頂部位移隨α的減小而降低，但超過3 000后則呈相反的趨勢，T3和T4塔柱則在C超過1 000后出現塔頂位移隨α的減小而增大的趨勢。

（5）在阻尼系數6 000范圍內，梁體梁端的位移和支座位移響應均隨α的減小而減小，但梁端位移在大于6 000后則呈相反的趨勢。

5.2 彎矩響應比較

圖9為橋塔各塔柱墩底彎矩圖。由圖分析可知：

（1）當速度指數一定時，各塔柱的塔底彎矩隨阻尼系數呈現出先減小后增大的趨勢變化，在阻尼系數2 000～4 000范圍內取得理想的效果。

（2）當阻尼系數超過一定值后，墩底彎矩隨速度指數的增加而減小。

（3）在阻尼系數超過一定4 000，塔底的彎矩響應幾乎為線性增加，表明阻尼系數過大會起到相反的作用。

5.3 剪力響應比較

圖10為橋塔各塔柱墩底剪力圖，分析可知：

（1）當速度指數一定時，各塔柱的塔底剪力隨阻尼系數呈現出先減小后增大的趨勢變化，說明阻尼系數應取更合理的值。

（2）左側塔柱T1、T2的最低剪力響應阻尼系數為2 000～3 000，右側塔柱T3、T4的最低剪力響應阻尼系數為4 000～6 000，其可能的原因是兩岸樁基礎的土層存在較大差異，左側為基巖場地，而右側為覆蓋土層。

（3）對于塔柱T1和T2，，阻尼系數超過3 000后，塔底的剪力隨速度指數的增加而減小，而塔柱T3和T4的塔底剪力在1 000～6 000范圍內隨速度指數的增大而提高。

（4）阻尼系數超過一定數值后，部分工況塔底的剪力響應程線性增加，表明阻尼系數過大會起到相反的作用。

6 小結

本文分析了粘滯阻尼器參數對紫坪鋪特大橋橋關鍵部位的縱橋向地震響應的影響，對粘滯阻尼器進行了參數優化。主要結論如下：

（1）粘滯阻尼器是一種有效的消能減震裝置，可以有效減小主梁位移、支座位移，一定程度減小橋塔塔頂位移、塔底彎矩及塔底剪力，這有利于該橋梁的抗震體系。

（2）隨著阻尼系數C的不斷增加，橋梁各地震響應均出現了先減小后增大的趨勢，表明選取阻尼器型號時有必要進行計算分析以確保阻尼器參數處于合理范圍內。

（3）橋塔樁基礎所處的土層或場地特性會對懸索橋兩岸塔柱的內力和位移均產生一定影響。

（4）粘滯阻尼器的減震效果由阻尼系數C及速度指數α共同決定，綜合考慮減震效果及阻尼器自身特性，建議阻尼器參數C=2 000 kN/（m/s）α，α=0.3。

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[定稿日期]2021-05-06

[作者簡介]宋松科（1982～），男，碩士，高級工程師，從事橋梁設計與研究工作。